太陽(yáng)能路燈的研究

1、太陽(yáng)能應(yīng)用實(shí)驗(yàn)講義（草地?zé)粞芯浚┮?、引?能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然氣等最主要能源的大量消耗，能源危機(jī)已成為世人關(guān)注的全球性問(wèn)題。據(jù)估計(jì)，2015年后，廉價(jià)的石油供應(yīng)將開(kāi)始減少，40年后石油將告罄，煤炭也只能供200年開(kāi)采，天然氣到2060年也將枯竭。同時(shí)，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)正日益重視，世界各國(guó)都在積極地研究和開(kāi)發(fā)其他各種清潔能源，可以預(yù)計(jì)，21世紀(jì)人類將進(jìn)入新型能源時(shí)代。 太陽(yáng)給人們帶來(lái)光和熱，它一年內(nèi)投射到地球上的輻射能相當(dāng)于地球上一年所消耗的各種能量的3萬(wàn)倍，按核聚變理論計(jì)算，太陽(yáng)的輻射能可持續(xù)1億年，太陽(yáng)能幾乎是一種取之不盡、用之不竭的能源。為了利用太陽(yáng)能，早在1954年人們

2、就已研制成功了硅太陽(yáng)能電池，但當(dāng)時(shí)由于代價(jià)太高而只能用于人造衛(wèi)星和宇宙飛船。經(jīng)過(guò)人們幾十年的努力，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率不斷提高，成本卻逐漸降低，從而促使硅太陽(yáng)能電池進(jìn)入到民用領(lǐng)域，并獲得廣泛應(yīng)用。太陽(yáng)能是一種清潔能源、綠色能源，在由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生廢料、廢氣、噪聲、煙塵，也不會(huì)對(duì)水、空氣和地面產(chǎn)生任何污染；在使用過(guò)程中安全可靠；維護(hù)方便，規(guī)模大小可根據(jù)需要而定。因此世界各國(guó)都十分重視對(duì)太陽(yáng)能的利用。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能草地?zé)粼淼姆治觥㈦娐方M裝及測(cè)試（充電、放電電流、電壓），了解太陽(yáng)能充電器的原理。2.了解太陽(yáng)能電池的主要工作特性（通過(guò)實(shí)驗(yàn)主要了解伏安特性、光譜特性

3、、光照特性、溫度特性和方向特性）。三、原理1.硅太陽(yáng)能電池的工作原理 用單晶硅或多晶硅做材料，直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾姵亟泄杼?yáng)能電池，它的基本材料是一片超薄P型單晶硅，厚度一般在0.4mm以下，上面為N型受光層，在基體和受光層之間形成PN結(jié)，在受光層上覆蓋著一層天藍(lán)色氧化硅膜，使入射光的有效吸收率達(dá)90以上。硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理是光生伏特效應(yīng)，具體說(shuō)來(lái)，就是硅光電池中的PN結(jié)受到光照射時(shí)，如果光子能量hv大于禁帶寬度Eg時(shí)，在勢(shì)壘區(qū)中就會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空穴和電子分別漂移并聚集在P區(qū)和N區(qū)。另外，由于光子的激發(fā)，P區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)中的空穴和N區(qū)產(chǎn)生的電

4、子空穴對(duì)中的電子受內(nèi)建電場(chǎng)的作用，不能進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)，而P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴，如果能擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)，則會(huì)受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用，分別聚集到結(jié)兩側(cè)的N區(qū)和P區(qū)，這樣在P區(qū)和N區(qū)就分別聚集了空穴和電子，分別帶上正電和負(fù)電，因而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。如果用導(dǎo)線和負(fù)載連結(jié)起來(lái)，就能產(chǎn)生電流和輸出功率，成為光電池。2. 硅太陽(yáng)能電池的主要參數(shù) (1)光電轉(zhuǎn)換效率 =popi （1）其中po為光電池的輸出功率，pi為入射在光電池上的光功率。目前硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15左右，已有多種太陽(yáng)電池可達(dá)20以上，特殊的甚至可超過(guò)30。從材料、結(jié)構(gòu)和特性等方面不斷改進(jìn)，提高轉(zhuǎn)換效率是主要的追求目標(biāo)。 (2)硅太陽(yáng)能電池的

5、光譜響應(yīng) 圖1 硅太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)曲線 圖2 硅太陽(yáng)能電池光電伏安特性曲線太陽(yáng)光的光譜范圍主要是在300nm3000nm之間，不同波長(zhǎng)范圍，光能量不同。在高空、地面或太陽(yáng)位于不同的角度，其光譜也有所不同。為了充分利用太陽(yáng)能，硅太陽(yáng)能電池的光譜特性一定要盡量接近太陽(yáng)光譜，這就要從材料、結(jié)構(gòu)、結(jié)深、表面光學(xué)性能、厚度等各方面進(jìn)行研究。圖1是用于空間的對(duì)短波比較靈敏的薄型空間硅太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)曲線。(3)光照伏安特性曲線伏安特性曲線是判斷太陽(yáng)能電池性能的重要參數(shù)，圖2是Si np空間電池的光電伏安特性曲線，圖中Pmax點(diǎn)是輸出功率最大值。為了獲得最大輸出功率，就必須選用最佳負(fù)載，與此相適應(yīng)就要

6、有最佳工作電壓Vm和最佳工作電流Im。為了反映硅太陽(yáng)能電池輸出功率的能力，定義曲線因子(或填充因子)F·F為： （2） 式(2)中：Isc和Voc分別為短路電流和開(kāi)路電壓，好的光電池的F·F通常在80左右。硅太陽(yáng)能電池的輸出受溫度影響較大，類似于硅光電池，但抗輻射性能好。 3.太陽(yáng)能電源的基本組成圖3太陽(yáng)能電源的基本組成 太陽(yáng)能電源的基本組成分為：太陽(yáng)能電池方陣、蓄電池、調(diào)節(jié)控制裝置和負(fù)載，如圖3所示。其中二極管D是為了防止蓄電池中的電流倒流。傳統(tǒng)的蓄電池鉛酸蓄電池已逐漸被鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池所代替。 太陽(yáng)能電池方陣輸出功率的大小主要取決氣象條件：年日照時(shí)數(shù)、陰雨天數(shù)

7、、使用地點(diǎn)的緯度、海拔高度、氣溫、濕度和風(fēng)沙等情況，另外還需考慮用電的特點(diǎn)、所需電壓和電流的大小、是否連續(xù)用電等，上述因素在設(shè)計(jì)和估算太陽(yáng)能電源的參數(shù)時(shí)必須充分考慮。 太陽(yáng)能電池輸出電壓Uo的估算公式為： Uo=U1+U2+U3 (3)圖4 太陽(yáng)能草地?zé)綦娐穲D 式(3)中：U1為蓄電池的浮充電壓，它與所選用的蓄電池種類有關(guān)。對(duì)于一般負(fù)載，每個(gè)堿性鎳鎘電池為1.4V(額定電壓為1.25V)，每個(gè)低放電鉛酸蓄電池為2.35V(額定電壓為2V)。U2為線路損耗壓降，主要是防反二極管壓降。對(duì)于鍺二極管正向壓降一般取0.3V-0.5V，硅二極管取0.5V0.7V。U3為由于太陽(yáng)能電池溫度升高而引起的輸出

8、電壓的下降值。4. 太陽(yáng)能草地?zé)艟€路（如圖4所示），四、儀器性能指標(biāo)表1 SWG-56太陽(yáng)能應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀技術(shù)指標(biāo)n項(xiàng) 目性 能1太陽(yáng)能電池面積6×6cm2，電壓3.65V，電流85mA，功率0.3W，傾斜角可調(diào)。2控制箱22×16 cm2，0.53kg，允許最大電流100mA3負(fù)載高亮度發(fā)光二極管4蓄電池可配：2×1.2V，700mAh Ni-MH、Ni-Cd或2×1.5V堿性電池5變阻器0-10k6光源40W升降臺(tái)燈7工作環(huán)境操作溫度 0-60 相對(duì)濕度 20%-85%五、實(shí)驗(yàn)要求圖5 伏安特性測(cè)繪電路圖1. 太陽(yáng)能電池光照伏安特性曲線測(cè)繪按圖5連接測(cè)繪

9、電路，調(diào)節(jié)變阻器R，記錄測(cè)繪在臺(tái)燈照明下草地?zé)籼?yáng)能電池的伏安特性曲線，確定最佳負(fù)載、最佳工作電壓Vm和最佳工作電流Im、光電池的曲線因子F·F。(注意數(shù)字萬(wàn)用表讀數(shù)時(shí)，直接讀數(shù)字，加上該檔的單位即可)2. 近似測(cè)出在一定光照條件下（光譜特性、光照特性、溫度特性和方向特性）太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓和短路電流的數(shù)值（利用數(shù)字萬(wàn)用表電壓檔內(nèi)阻很大和電流檔內(nèi)阻很小的特點(diǎn)，用數(shù)字萬(wàn)用表電壓檔及電流檔直接測(cè)量太陽(yáng)能電池）。表2 太陽(yáng)能電池板特性數(shù)據(jù)記錄表（參考）光照條件開(kāi)路電壓（V）短路電流（mA）室內(nèi)日光燈白熾燈（垂直方向15cm）白熾燈（垂直15cm、光電池板用黑紙擋掉一半）白熾燈（45度角

10、入射）白熾燈（5cm近距離）白熾燈（5cm近距離加熱2min）3. 分析實(shí)驗(yàn)室提供的太陽(yáng)能草地?zé)艄ぷ髟恚ň€路如圖4所示），組裝并研究測(cè)試其性能的方法。表3 太陽(yáng)能草地?zé)綦娐诽匦詳?shù)據(jù)記錄表（參考）測(cè)試點(diǎn)太陽(yáng)能電池照明情況無(wú)光（用黑紙擋光）室內(nèi)日光燈臺(tái)燈（垂直方向15cm）臺(tái)燈（用黑紙擋住一半）S+對(duì)地電壓（V）在S+點(diǎn)串聯(lián)測(cè)量太陽(yáng)能電池電流（mA）B+對(duì)地電壓（V）在B+點(diǎn)串聯(lián)測(cè)量充電電池電流（mA）(地為公共端，本例中為電池負(fù)極)4. 請(qǐng)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的意義。5. 假設(shè)已知面積lcm2的硅光電池在500lx光照條件下開(kāi)路電壓為0.48V，短路電流為lOmA。如果要設(shè)計(jì)一個(gè)12V、15W的太陽(yáng)能路燈，請(qǐng)問(wèn)需要什么樣的蓄電池（Ah）和多大面積的太陽(yáng)能電池，才能保證該路燈在白天充電，而整個(gè)晚上點(diǎn)亮？(提示: 充電電流一般是充電電